Ông Thần trong Hố Đen

Lê Tất Điều

26-9-2019

Sự huyền hoặc của một vật thể tưởng tượng

Tháng Tư năm 2019, các khoa học gia chụp được – thực ra là “tạo” được – tấm hình Hố Đen đầu tiên, giúp nhân loại có dịp chiêm ngưỡng thêm một tí dung nhan của vũ trụ. Sau khi long trọng ăn mừng thành tích mới của ngành khoa học không gian, bước kế tiếp của chúng ta là gì?

Có người đề nghị: đặt lại tên, cho nó một danh tánh mới bảnh hơn. Ý kiến hay, vì việc tìm tên mới là một trọng trách, đòi hỏi phải nghiên cứu nghiêm chỉnh, kỹ lưỡng. Muốn cho Hố Đen cái tên đúng nghĩa, cần biết nó là cái gì, bắt đầu là công trình nghiên cứu tìm giải đáp chính xác cho câu hỏi căn bản này: Nó hình thành như thế nào?

NASA – “NASA Knows!” – cho ta câu trả lời đại ý thế này: Hố Đen là vùng trong không gian có sức hút của một hấp lực cực mạnh, mạnh đến độ ánh sáng cũng bị hút vào luôn, không thoát được. Hấp lực khủng khiếp này sinh ra do hiện tượng khối thể chất bị ép chặt, nén chặt vào một vùng không gian thật nhỏ – nói giản dị là một khối vật chất lớn bị ép lại thành một cục đặc cứng, nhỏ tí teo, Hiện tượng ép, nén này xảy ra vào đúng những giây phút cuối cùng của một tinh cầu. Một số Hố Đen chính là hệ quả của những tinh cầu bị hủy hoại.

Mặc dầu hầu hết chi tiết trong lời giải thích không đúng, câu trả lời của NASA vẫn đáng được coi là hay nhất, vì SAI ít nhất, và không nhắc đến một vật thể lạ lùng bí mật mà các khoa học gia tin là hiện hữu trong Hố Đen, là yếu tố chính trong tiến trình hình thành Hố Đen. Những câu trả lời tiêu biểu khác đều nêu tên vật thể ấy, biến Hố Đen thành một hiện tượng kỳ bí nhất trong vũ trụ.

Sự quan sát sai lầm ở đây bắt đầu bằng nhận xét này: Hố Đen là vùng trong không gian có sức hút của một hấp lực cực mạnh” Lập tức, nó gợi ra câu hỏi then chốt: Cái sức hút khủng khiếp, cái hấp lực cực mạnh ấy từ đâu ra, do những nguyên nhân nào?

Theo sự hướng dẫn của trực giác, các khoa học gia tin rằng: phải có một cái gì đó nằm trong Hố Đen, và chính “cái gì đó” tạo ra sức kéo, hút khủng khiếp. Thế là có vài thiên tài của nhân loại công bố đã tìm được “cái gì” đó rồi, và đặt tên cho nó là: Singularity – tạm hiểu là Điểm dị thường, đặc biệt.

Khi khoa học gia lừng danh Stephen Hawking và khoa học gia (tước hiệu Hiệp sĩ) Sir Roger Penrose gia nhập hội Singularity, đóng góp công trình nghiên cứu tên là “Penrose–Hawking singularity theorems” thì trong giới khoa học, không ai còn dám hó hé, nghi ngờ sự hiện hữu của nó.

Không những thế, với niềm tin vững như bàn thạch, với hào khí ngất trời, nhiều vị thừa thắng xông lên, báo tin vui cho nhân loại là họ đã “thấy” Singularity rồi. Thấy rõ lắm, còn biết có tới mấy loại khác nhau lận. Và đặc biệt có một loại Singularity không biết xấu hổ, quanh năm chẳng che đậy gì cả nên họ bực mình, phang cho một cái tên rất xấu, cho chúng nó tởn: Naked Singularities nói văn vẻ là Singularity khỏa thân, nôm na là Singularity trần truồng. “The two most important types of space-time singularities are known as Curvature Singularities and Conical Singularities. Singularities can also be divided according to whether they are covered by an event horizon or not. In the case of the former, you have the Curvature and Conical; whereas in the latter, you have what are known as Naked Singularities.” (Universe Today)

Con đường nghiên cứu Hố Đen coi bộ gian nan đây. Vừa khởi hành đã đụng ngay một lũ Singularity chặn đường, đứa quần áo chỉnh tề, đứa trần như nhộng, dung nhan rất kỳ bí, muốn tiến tới thì phải tìm hiểu xem chúng là cái giống gì!

Đại học Cornell – Mục “Ask an Astronomer” – giảng rằng: “… theo lý thuyết vật lý cổ điển thì ở trung tâm Hố Đen tỷ trọng – sự cô đọng, đậm đặc – đạt mức vô cùng, vô tận vì có một khối lượng thể chất đã bị ép chặt lại nhỏ cùng cực, nhỏ tới mức khối lượng ấy biến mất tiêu luôn (zero volume), đó chính là một Singularity…” (A singularity means a point where some property is infinite. For example, at the center of a black hole, according to classical theory, the density is infinite (because a finite mass is compressed to a zero volume). Hence it is a singularity…) (Ask an Astronomer at Cornell University).

“The physics of the universe” đưa ra một định nghĩa giầu chi tiết hơn:

Trung tâm Hố Đen chính là vùng hấp lực của Singularity, là một điểm nhỏ trong không gian một chiều đã chứa đựng một khối lượng (thể chất) khổng lồ trong một không gian cực nhỏ, là nơi mà tỷ trọng cùng hấp lực tăng vô cùng vô tận, và không gian, thời gian cũng uốn cong tới mức cùng cực (space-time curves infinitely)(?) ở chính chỗ này những luật vật lý như chúng ta từng biết trở nên vô hiệu, hết xài. Và như vật lý gia kiệt xuất của Hoa Kỳ Kip Thorne mô tả: điểm này là chỗ tất cả những định luật của vật lý bị sập tiệm, tiêu tùng luôn! (In the center of a black hole is a gravitational singularity, a one-dimensional point which contains a huge mass in an infinitely small space, where density and gravity become infinite and space-time curves infinitely, and where the laws of physics as we know them cease to operate. As the eminent American physicist Kip Thorne describes it, it is “the point where all laws of physics break down” (emphasis mine) (The physics of the universe)

Như thế, theo định nghĩa thì Singularity là một điểm nằm giữa Hố Đen chứa đựng khối thể chất khổng lồ bị ép, bị nén vào một không gian cực nhỏ, nhỏ tới mức cái khối thể chất ấy coi như biến mất tiêu luôn ((a zero volume). Nhưng cũng chính cái khối nhỏ tí teo ấy lại phát sinh ra một hấp lực khủng khiếp có sức hút tất cả mọi vật nằm trong vùng quanh nó có kích thước bao trùm toàn thể Hố Đen!

Thảo nào, các khoa học gia kêu ầm lên: vậy thì ở chỗ có Singularity các định luật thiên nhiên hoàn toàn vô hiệu, không áp dụng được và tiến sĩ Kip Thorne than thở rằng thế là rồi đời tất cả những luật vật lý thông thường.

Trên thực tế, không bao giờ có chuyện vô nguyên tắc, vô luật lệ vật lý, ly kỳ rùng rợn tới cỡ đó. Hố đen có thể có tất cả mọi thứ trong trời đất trừ cái thứ kêu là Singularity. Và loại “máy tạo hấp lực” vô cùng nhỏ này cũng không hề hiện hữu trong vũ trụ.

Sau khi Einstein khám phá được và công bố lý thuyết về Hấp Lực, món Singularity kỳ quái này đáng lẽ phải biến mất, bị xóa hết khỏi chương trình giáo dục cũng như sách giáo khoa. Nhưng nó sống hùng sống mạnh và sống dai vì phần lớn các khoa học gia không hiểu nổi thuyết của Einstein.

Không có ai đáng bị chê trách ở đây vì chính Eintein, khi nêu ra định nghĩa “Hấp lực là đường cong của không gian/thời gian” cụ cũng rất lơ mơ, chưa thấy được bức tranh toàn diện bao gồm tất cả mọi góc cạnh, nhất là tiến trình vật lý của hiện tượng này.

Bức tranh toàn diện

Xin nói thêm một chút về căn nguyên tạo sinh Hấp Lực. Hấp lực sinh ra do các khối vật chất làm cong không gian, thời gian” “… Gravity is due to the curvature of space and time by masses.” Cụ Einstein dạy thế đấy!

Dẫn lời cụ để hù bà con cô bác chút xíu cho vui thôi. Đừng cố hiểu làm gì nhức đầu vô ích. Nhiều khoa học gia danh tiếng xưa nay cũng không hiểu, chỉ đoán mò ý nghĩa, rồi dựa vào đó tạo thêm ra những lý thuyết rất phi vật lý, khôi hài.

Chỗ thiên tài của Einstein ở đây là cụ đã khám phá ra Hấp Lực không phải là hiện tượng các khối thể chất “hút” nhau, như chúng ta từng suy đoán và tin theo trực giác. Đó là một phát kiến kỳ diệu. Chuyện này tôi đã viết đầy đủ trong bài: “Tìm một định nghĩa đúng cho thuyết về Hấp Lực của Einstein”. Ở đây, xin trình bày ngắn, gọn:

Quan sát kính chắn gió của một chiếc xe đang tiến về phía trước. Nếu có một tờ giấy bay gần, nó sẽ dính chặt vào kính. Khi xe ngừng, hiện tượng “dính” biến mất, giấy rơi. Nhưng nếu có một luồng gió thổi ngược vào kính, tờ giấy sẽ dính trở lại ngay, nghĩa là hấp lực đã tái hiện trên mặt kính chắn gió. Tờ giấy thực ra không bị “hút”, trước, nó bị kính chắn gió nhào tới đẩy đi, sau, lại bị gió đẩy vào kính. Đó là điểm cực kỳ quan trọng, cần ghi nhớ.

Do đó, không cần dùng chữ nghĩa đao to búa lớn kiểu như “làm cong, làm méo không gian, thời gian” vừa cầu kỳ, khó hiểu, vừa thực sự vô nghĩa, ta chỉ cần tóm tắt thế này: “Hấp lực sinh ra khi hai khối (mass) thể chất (matter) đụng nhau, tạo áp lực (pressure) lên nhau”. Trên mặt đất, loại thể chất quan trọng cho việc tạo sinh hấp lực ta thường thấy được là không khí, nước. Trong không gian, ở khắp cùng vũ trụ, đó là chất đen.

Tôi không hề dám vô lễ, vô phép trách cụ Einstein đã bày đặt dạy lời bí hiểm làm khó bọn hậu sinh. Để thấy được tường tận và chính xác hiện tượng Hấp Lực, cần nghiên cứu từng chi tiết bức tranh toàn diện về sự vận hành của vũ trụ và nhất là tiến trình nở lớn càng lúc càng nhanh của nó. Thời cụ, bức tranh ấy chưa rõ nét.

Vũ trụ đang nở lớn và cần một khối lượng chất đen khổng lồ trong mỗi nanosecond để duy trì sự lớn dậy ấy. Tốc độ lớn càng lúc càng tăng. Với tốc độ di chuyển cực nhanh, chính khối chất đen này tạo nên sức đẩy mạnh nhất vũ trụ. Sức đẩy ấy, khi đụng quán tính (inertia) – hay sức ì, sức trì kéo, kháng lực – của bất cứ khối thể chất nào cũng tạo sinh Hấp Lực, với tiến trình giống hệt gió thổi lên kính xe.

Đây là bức tranh toàn cảnh: Trong khi thi hành trọng trách làm nở vũ trụ, chất đen liên tục tạo áp lực, xô đẩy tất cả các khối thể chất trong không gian về mọi hướng, giống hệt những dòng sông, dòng suối cuốn đi tất cả những món nổi trôi trong nước. Khác với dòng nước chỉ đẩy lên bên ngoài, phần vỏ của mọi vật, chất đen với phần thể lỏng đặc biệt của nó luôn luôn thẩm thấu vào tận trung tâm mọi vật thể, đẩy lên tất cả những phân tử, nguyên tử của khối vật chất, khiến chúng di chuyển, xoay tròn và còn bay quanh quỹ đạo của nhau. Nó cung cấp áp lực đều khắp trên muôn vật lớn nhỏ, tạo hấp lực từ bên ngoài đến chỗ sâu thẳm bên trong – khắp mọi nơi.

Cha đẻ của thuyết Singularity quả thực đã dựa trên một hiện tượng vật lý có thật và những suy đoán khá thông minh, chỉ tiếc ông không hiểu biết đầy đủ về hấp lực nên bị dẫn tới những kết luận sai lầm. Hiện tượng vật thể có khối lượng bị ép, nén chặt khiến thể tích nhỏ lại và trọng lực tăng lên có thực (luôn xảy ra cho phần lõi, nhân ở trung tâm các tinh cầu). Khi bị nén, ép, thề chất tăng sự đậm đặc (mật độ, tỷ trọng) lên, lập tức kéo theo sự tăng hấp lực, trọng lượng. Nhưng tiến trình tăng hấp lực hoàn toàn khác, tỷ trọng chỉ là một yếu tố, không phải là toàn thể phương trình. Hấp lực cũng tăng tới một giới hạn thôi, không hề có chuyện tăng vô cùng cực, vô hạn định như tác giả Singularity lầm tưởng.

Một khối thể chất dù to lớn, dù có độ đậm đặc cao cỡ nào cũng không thể tự mình tạo ra hấp lực. Nó đòi hỏi sự tương tác. Chân ta cần đối lực của tấm vải căng trên trampoline (trong thí nghiệm của Einstein). Thiên thể trong không gian cần áp lực liên tục của chất đen.

Hãy tưởng tượng một cục đá hình tròn lăn dưới đáy đầy bùn của một dòng suối. Nó bị dòng nước đẩy đi và trong khi lăn trên đáy nước nó cuốn bùn đất lên phủ quanh mình, tự tăng dần khối lượng và do đó trọng lượng, khiến nó lăn chậm dần rồi đứng lại. Chính từ giây phút “đứng lại” này, sức đẩy của dòng nước sẽ tạo một áp lực lớn nhất trên cục đá bất động. Đó là giới hạn. Muốn có áp lực cao hơn thế nó phải di chuyển ngược dòng.

Cũng vậy, một tinh cầu trong khi bị xô đẩy, xoay tròn trong không gian, thâu thập tích lũy mỗi ngày một nhiều những phân tử nguyên thủy của chất đen. Khối lượng tăng dần làm nó giảm tốc độ, cho tới khi phải đứng (hoặc gần như) đứng lại. Từ lúc đó nó sẽ chịu một sức đẩy, một áp lực lớn nhất của chất đen và do đó có Hấp Lực mạnh nhất. Đó chính là giới hạn.

Trong khi một tinh cầu lớn dần thì phần lõi, tạm gọi là hạt nhân của nó cũng tăng sự đậm đặc vì liên miên chịu áp lực của chất đen. Có phải hiện tượng ép, nén hạt nhân này chỉ xảy ra vào lúc cuối đời của tinh cầu không? Hoàn toàn không. Tiến trình ép, nén diễn ra hàng triệu, hàng tỉ năm. Không hề có chuyện hiện tượng này chỉ xảy ra trong một khoảnh khắc ngắn ngủi, khi tinh cầu sụp đổ hoặc phát nổ.

Do đó hiện tượng một khối thể chất bị ép nhỏ vô cùng tận lại phát sinh ra một hấp lực mạnh cùng cực chỉ là chuyện tưởng tượng, không bao giờ thực sự xảy ra.

Thêm nữa, có một sự kiện thực tế trong thiên nhiên chắc chắn không cho phép Singularity được hiện hữu.

Phạm vi chịu ảnh hưởng hấp lực của một khối thể chất không bao giờ vượt ra ngoài vùng lân cận bao quanh nó. Trái đất, với đường kính 7916 dặm có vùng hấp lực không dầy lắm, chỉ cao hơn mặt đất 250 dặm. Do đó, trong khi tỉ trọng – tạo quán tính và trọng lượng – quyết định sức mạnh của hấp lực thì kích thước của khối lượng một vật thể lại xác định kích thước cho vùng hấp lực của vật thể ấy.

Thành ra, nếu ta có thể nén ép một khối khổng lồ vào một chỗ nhỏ xíu, còn bằng đầu đinh ghim, thì cái đinh ghim này quả thực sẽ rất nặng và có hấp lực mạnh lắm, nhưng vùng hấp lực của nó thì bây giờ lại nhỏ tí tẹo, chỉ lớn hơn đầu đinh ghim chút xíu thôi. Nó không bao giờ có thể tạo ra một hấp lực có vùng ảnh hưởng bao trùm luôn một phạm vi lớn bằng cả Hố Đen.

Cái khối vật thể bị ép xuống thành số không (zero volume) còn tệ nữa. Nó tuyệt đối chẳng có gì cả, vùng hấp lực không có, mà một tí tẹo ý nghĩa có giá trị vật lý cũng không luôn.

Hố Đen hình thành như thế nào?

Không có sự hỗ trợ của các Điểm dị thường Singularity, các Hố Đen, từ thuở khai thiên lập địa, đã được hình thành nhờ vài luật vật lý về chuyển động rất thông thường:

“Một vật chuyển động khi đụng độ với một áp lực mạnh hơn quán tính (sức ì, trì kéo) và áp lực của vùng bao quanh nó. Nói giản dị, di động là liên tục tìm và hướng về khoảng không gian trống rỗng hoặc có áp lực yếu hơn.” (A)

 “Để chuyển động, một vật phải chiếm chỗ của các vật ở trước mặt và để lại phía sau một khoảng trống tức khắc mở ra đón “khách” cư ngụ mới.” (B)

Khi khối lượng một tinh cầu trở nên quá lớn, nó bị hủy hoại, tan rã, thường là nổ tung trong không gian. Chỗ nổ tức khắc trở thành một khoảng trống mở ra đón nhận “cư dân” mới. Tất cả những vật thể, vật chất – hầu hết là chất đen – quanh chỗ nổ lập tức tràn vào lấp đầy khoảng trống. mạnh như vũ bão, như thác đổ. Và một Hố Đen mới thành hình. Chỉ có vậy thôi.

Cả trăm năm nay, nguyên do của tất cả những chuyển động vần vũ này lại bị hiểu sai, hiểu lầm là thành tích co kéo mạnh như thần của các Singularity. Thật đáng tiếc.

Tạm chia Hố Đen thành hai loại dựa trên kích thước và chút khác biệt trong tiến trình hình thành:

1. Hố Đen nhỏ: Sinh ra từ khoảng trống do một tinh cầu sụp đổ hoặc phát nổ để lại.
2. 2. Hố Đen khổng lồ: Khi một vùng không gian xảy ra nhiều vụ nổ liên tiếp của các thiên thể, khối lượng chất đen vùng ấy bị ảnh hưởng nặng bởi những áp lực mới và nhiệt độ thình lình tăng vọt. Khối ấy bị biến dạng, đổi tỉ trọng, đổi hướng di chuyển, và ngay cả bị tách ra thành những khối nhỏ bắt đầu chuyển vần về các hướng khác nhau. Trong tiến trình lấp đầy những khoảng trống đang đua nhau hiện ra khắp nơi, khối chất đen tạo ra những động lực hỗn loạn khiến cho nhiều khối, luồng chất đen khổng lồ chuyển vần ngược chiều, đụng nhau, đâm thẳng vào nhau. Sự “đụng độ” của những khối chất đen khổng lồ trong vùng không gian có áp xuất quá thấp, gần như trống rỗng, sẽ tạo ra Hố Đen khổng lồ.

Có đủ hai loại Hố Đen vừa kể trên hành tinh này.

Chúng ta không nhận ra Hố Đen cỡ nhỏ vì loại này biến hiện quá nhanh, như một tiếng bom nổ. Nhưng chúng ta thấy rất nhiều Hố Đen thuộc loại khổng lồ – trong kích thước thu nhỏ (mini) Giant Black Hole. Chúng hiện ra dưới dạng bão lốc xoáy (tornado, cyclone). Hố Đen khổng lồ trong không gian hình thành bởi sự chuyển vần của chất đen trong vùng thình lình có áp xuất thấp, hoặc trống rỗng. Bão Lốc xoáy trên mặt đất sinh ra do khối lượng không khí – gió, bão, cuồng phong – xoáy tròn vào một vùng khí quyển có áp xuất thấp.

Chất cấu tạo khác nhau, cùng một tiến trình hình thành.

Khổng lồ hay nhỏ bé, trong không gian bao la hay trên mặt địa cầu hữu hạn, tất cả các Hố Đen đã hình thành theo cùng một tiến trình, tuân theo đúng những nguyên tắc, luật vật lý về chuyển động giống nhau. Không có giai đoạn, khoảnh khắc nào đòi hỏi sự hiện diện của vật thể kỳ bí Singularity.

Đổi tên và xóa tên

Do đó, đặt tên lại cho Hố Đen, tôi thấy “Bão lốc xoáy trong không gian” hay gọn hơn: “Lốc Xoáy vũ trụ” là cũng tạm được rồi. Tuy nhiên, tôi khuyến khích và nhiệt thành ủng hộ tất cả những ai tìm ra tên mới đẹp đẽ hơn, chỉ trừ một trường hợp duy nhất. Cầu mong không ai chọn cái tên tương tự như “Cái Lỗ Giun” (wormholes). Tên tuổi kiểu này đã lừa phỉnh được nhiều khoa học gia – kể cả Stephen Hawking – thuyết phục được họ tin rằng cái lỗ kỳ diệu ấy dẫn vào chiều không gian/thời gian thứ 4, là phương tiện để du lịch trong thời gian “tham quan” cả tương lai lẫn quá khứ, là cửa dẫn vào một… vũ trụ khác!

Chúng ta đã có quá nhiều những chuyện khoa học giả tưởng rẻ tiền lẫn lộn trong ngành vật lý học nghiêm túc.

Cũng xin đề nghị: Nhân dịp đổi tên Hố Đen, ta nhẹ nhàng khai tử luôn cái món Singularity đi. Ít nhất cũng giúp tủ sách giáo khoa của nhân loại mai sau bớt được một chương nhảm nhí.

Mê muội, bướng bỉnh ôm chặt lấy một sản phẩm tưởng tượng vô giá trị, rồi nỗ lực lưu truyền nó đến những thế hệ sau, chúng ta chỉ làm phí thì giờ, sức lực của chính mình và các khoa học gia trong tương lai, làm vẩn đục, ô nhiễm kho tàng kiến thức chung của nhân loại.

Không có tội thì cũng có lỗi, một cái lỗi rất đáng buồn, đáng trách.

(DL – 7/13/19)

What Is a Black Hole and How Does It Form?

Phim thuyết trình:

Tiếng Việt: Hồ Đen là gì?

Tiếng Anh:  What is a Black Hole?